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GPS時鐘在網(wǎng)絡系統(tǒng)中的技術方案


隨著計算機和網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展,火電廠熱工自動化系統(tǒng)數(shù)字化、網(wǎng)絡化的時代已經(jīng)到來。這一方面為各控制和信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換、分析和應用提供了更好的平臺、另一方面對各種實時和歷史數(shù)據(jù)時間標簽的準確性也提出了更高的要求。
使用價格并不昂貴的GPS時鐘來統(tǒng)一全廠各種系統(tǒng)的時鐘,已是目前火電廠設計中采用的標準做法。電廠內的機組分散控制系統(tǒng)(DCS)、輔助系統(tǒng)可編程控制器(PLC)、廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、電廠管理信息系統(tǒng)(MIS)等的主時鐘通過合適的GPS時鐘信號接口,得到標準的TOD(年月日時分秒)時間,然后按各自的時鐘同步機制,將系統(tǒng)內的從時鐘偏差限定在足夠小的范圍內,從而達到全廠的時鐘同步。
一、GPS時鐘及輸出
1.1 GPS時鐘
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)由一組美國國防部在1978年開始陸續(xù)發(fā)射的衛(wèi)星所組成,共有24顆衛(wèi)星運行在6個地心軌道平面內,根據(jù)時間和地點,地球上可見的衛(wèi)星數(shù)量一直在4顆至11顆之間變化。
GPS時鐘是一種接受GPS衛(wèi)星發(fā)射的低功率無線電信號,通過計算得出GPS時間的接受裝置。為獲得準確的GPS時間,GPS時鐘必須先接受到至少4顆GPS衛(wèi)星的信號,計算出自己所在的三維位置。在已經(jīng)得出具體位置后,GPS時鐘只要接受到1顆GPS衛(wèi)星信號就能保證時鐘的走時準確性。
作為火電廠的標準時鐘,我們對GPS時鐘的基本要**:至少能同時跟蹤8顆衛(wèi)星,有盡可能短的冷、熱啟動時間,配有后備電池,有高精度、可靈活配置的時鐘輸出信號。
1.2 GPS時鐘信號輸出
目前,電廠用到的GPS時鐘輸出信號主要有以下三種類型:
1.2.1 1PPS/1PPM輸出
此格式時間信號每秒或每分時輸出一個脈沖。顯然,時鐘脈沖輸出不含具體時間信息。
1.2.2 IRIG-B輸出
IRIG(美國the Inter-Range Instrumentation Group)共有A、B、D、E、G、H幾種編碼標準(IRIG Standard 200-98)。其中在時鐘同步應用中使用*多的是IRIG-B編碼,有bc電平偏移(DC碼)、1kHz正弦載波調幅(AC碼)等格式。IRIG-B信號每秒輸出一幀(1fps),每幀長為一秒。一幀共有100個碼元(100pps),每個碼元寬10ms,由不同正脈沖寬度的碼元來代表二進制0、1和位置標志位(P),見圖1.2.2-1。


為便于理解,圖1.2.2-2給出了某個IRIG-B時間幀的輸出例子。其中的秒、分、時、天(自當年1月1日起天數(shù))用BCD碼表示,控制功能碼(Control Functions,CF)和標準二進制當天秒數(shù)碼(Straight Binary Seconds Time of Day,SBS)則以一串二進制“0”填充(CF和SBS可選用,本例未采用)。
1.2.3 RS-232/RS-422/RS-485輸出
此時鐘輸出通過EIA標準串行接口發(fā)送一串以ASCII碼表示的日期和時間報文,每秒輸出一次。時間報文中可插入奇偶校驗、時鐘狀態(tài)、診斷信息等。此輸出目前無標準格式,下圖為一個用17個字節(jié)發(fā)送標準時間的實例:

 

1.3 電力自動化系統(tǒng)GPS時鐘的應用
電力自動化系統(tǒng)內有眾多需與GPS時鐘同步的系統(tǒng)或裝置,如DCS、PLC、NCS、SIS、MIS、RTU、故障錄波器、微機保護裝置等。在確定GPS時鐘時應注意以下幾點:
(1)這些系統(tǒng)分屬熱控、電氣、系統(tǒng)專業(yè),如決定由DCS廠商提供的GPS時鐘實現(xiàn)時間同步(目前通常做法),則在DCS合同談判前,就應進行專業(yè)間的配合,確定時鐘信號接口的要求。(GPS時鐘一般可配置不同數(shù)量、型式的輸出模塊,如事先無法確定有關要求,則相應合同條款應留有可調整的余地。)
(2)各系統(tǒng)是否共用一套GPS時鐘裝置,應根據(jù)系統(tǒng)時鐘接口配合的難易程度、系統(tǒng)所在地理位置等綜合考慮。各專業(yè)如對GPS時鐘信號接口型式或精度要求相差較大時,可各自配置GPS時鐘,這樣一可減少專業(yè)間的相互牽制,二可使各系統(tǒng)時鐘同步方案更易實現(xiàn)。另外,當系統(tǒng)之間相距較遠(例如化水處理車間、脫硫車間遠離集控樓)時,為減少時鐘信號長距離傳送時所受的電磁干擾,也可就地單設GPS時鐘。分設GPS時鐘也有利于減小時鐘故障所造成的影響。
(3)IRIG-B碼可靠性高、接口規(guī)范,如時鐘同步接口可選時,可優(yōu)先采用。但要注意的是,IRIG-B只是B類編碼的總稱,具體按編碼是否調制、有無CF和SBS等又分成多種(如IRIG-B000等),故時鐘接收側應配置相應的解碼卡,否則無法達到準確的時鐘同步。
(4)1PPS/1PPM脈沖并不傳送TOD信息,但其同步精度較高,故常用于SOE模件的時鐘同步。RS-232時間輸出雖然使用得較多,但因無標準格式,設計中應特別注意確認時鐘信號授、受雙方時鐘報文格式能否達成一致。
(5)火電廠內的控制和信息系統(tǒng)雖已互連,但因各系統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議可能不盡相同,故仍需分別接入GPS時鐘信號。即使是通過網(wǎng)橋相連的機組DCS和公用DCS,如果時鐘同步信號在網(wǎng)絡中有較大的時延,也應考慮分別各自與GPS時鐘同步。
 

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